Действующие значения силы тока и напряжения
Как известно, переменная ЭДС индукции вызывает в цепи переменный ток. При наибольшем значении ЭДС сила тока будет иметь максимальное значение и наоборот. Это явление называется совпадением по фазе. Несмотря на то что значения силы тока могут колебаться от нуля и до определенного максимального значения, имеются приборы, с помощью которых можно замерить силу переменного тока.
Характеристикой переменного тока могут быть действия, которые не зависят от направления тока и могут быть такими же, как и при постоянном токе. К таким действиям можно отнести тепловое. К примеру, переменный ток протекает через проводник с заданным сопротивлением. Через определенный промежуток времени в этом проводнике выделится какое-то количество тепла. Можно подобрать такое значение силы постоянного тока, чтобы на этом же проводнике за то же время выделялось этим током такое же количество тепла, что и при переменном токе. Такое значение постоянного тока называется действующим значением силы переменного тока.
Амперметры и вольтметры магнитоэлектрической системы не позволяют производить замеры в цепях переменного тока. Это происходит потому, что при каждом изменении тока в катушке меняется направление вращающего момента, которое воздействует на стрелку прибора. Из-за того что катушка и стрелка обладают большой инерцией, прибор не реагирует на переменный ток. Для этих целей применяются приборы, не зависящие от направления тока. Например, это могут быть приборы, основанные на тепловом действии тока. В таких приборах стрелка поворачивается за счет удлинения нити, нагреваемой током.
Можно также применять приборы с электромагнитной системой действия. Подвижной частью в данных приспособлениях является железный диск небольшого диаметра.
Он перемагничивается и втягивается внутрь катушки, через которую пропущен переменный ток. Такие приборы измеряют действующие значения силы тока и напряжения.
Постоянный или переменный ток?
Электрические станции вырабатывают электрическую энергию трехфазного переменного тока, который передается на большие расстояния по трем проводам. Частота переменного тока, питающего промышленные установки, в разных странах различна. Она колеблется от 25 до 60 периодов в секунду (герц). В России, как и в большинстве стран, промышленная частота принята равной 50 Гц.
Одно из отрицательных свойств переменного тока в том, что провода, по которым протекает ток, необходимо рассчитывать на максимальное значение силы тока, а практически используется немногим более 2/3 этого значения. Есть и другие отрицательные следствия. Явление электромагнитной индукции приводит, например, к тому, что переменный ток в проводах распределяется не равномерно по всему сечению, а главным образом вблизи поверхности. Благодаря тому, что используется не все сечения проводов, их сопротивление реально возрастает. Далее, переменный ток, как и ток постоянный, окружен магнитным полем, но полем переменным. А такое поле, согласно закону электромагнитной индукции, вызывает в соседних проводах и в других проводящих материалах электрические токи, что приводит к бесполезной потере энергии.
Все эти недостатки полностью отсутствуют у постоянного тока. Почему же все-таки переменный ток практически безраздельно господствует в технике и в быту?
Прежде всего, сам принцип действия электрических генераторов таков, что в них возникает именно переменная ЭДС. Но не в этом главное. С помощью нехитрого устройства можно тот же генератор сделать источником и постоянного тока. Главная причина «популярности» переменного тока связана с тем, что электрическую энергию приходится передавать из мест, где она производится (электростанции), к местам ее потребления и часто на большие расстояния. При этом часть передаваемой энергии неизбежно теряется в виде тепла в проводах, по которым она передается в линиях электропередачи (ЛЭП). Чтобы эти потери были не слишком высокими, нужно, оказывается, использовать для передачи высокое напряжение.
Необходимость высокого напряжения видна из следующего простого расчета. Допустим, что электрическая мощность Р = 66 кВт передается от электростанции в город под напряжением 220 В (именно такое напряжение обычно используется потребителями). Пусть сопротивление ЛЭП равно 0,4 Ом. Тогда сила тока в ЛЭП составит I = 66 000 Вт / 220 В = 300 А, а выделившееся в линии количество теплоты — Q = I2R =(300 A)2·0,4 Ом = 36 000 Вт. Больше половины передаваемой мощности (54,5 %) будет потеряно в виде тепла в ЛЭП! А теперь представим себе, что та же мощность по той же ЛЭП передается при напряжении 22 000 В. Теперь ток в цепи будет равен I = 66 000 Вт / 22 000 В = 3 А, а выделившееся количество теплоты — Q = (3 A)2·0,4 Ом = 3,6 Вт. Потеряно будет всего около 0,005 %! Вот почему электрическая энергия по ЛЭП всегда передается при очень высоком напряжении — 110, 220, 330, 400, 500 и даже 750 киловольт.
Однако те недостатки переменного тока, которые были изложены выше, заставляют думать о том, нельзя ли все-таки для передачи электрической энергии использовать постоянный ток, конечно, тоже высокого напряжения? Это сделать непросто. Действительно, сначала нужно переменное напряжение, после его повышения, преобразовать в постоянное (для этого служат выпрямители), а затем на другом конце ЛЭП — превратить переданное постоянное напряжение в переменное (это можно сделать с помощью устройств, называемых инверторами), чтобы напряжение можно было понизить до значения, нужного потребителю. Одна такая ЛЭП постоянного тока на напряжении 400 кВ в СССР уже работает.
Изученную информация нельзя понимать так, что постоянный ток — это «хороший» ток, а переменный — «плохой». И тот и другой — это явления природы, и их нельзя оценивать словами «лучше», «хуже». Сказанное лишь означает, что для передачи энергии на большие расстояния предпочтительнее постоянный ток. И если пока все же преобладает применение для этой цели переменного тока, то это объясняется тем, что преобразование переменного тока в постоянный и обратно до сих пор еще представляет собой трудную задачу, которая, впрочем, успешно решается. Для техники в равной мере нужны и полезны оба тока. В некоторых случаях незаменим постоянный ток, например там, где используется электролиз. Но без переменных токов не было бы радиосвязи, телевидения и т. д.
Перефразируя известное детское стихотворение, можно сказать: токи всякие нужны!